王子儒-自动控制技术在移动式钢轨气压焊设备中的运用.ppt

自动控制技术在移动式钢轨气压焊设备中的应用 沈阳铁路局科学技术研究所 王子儒 自控型钢轨气压焊设备 自控型焊后热处理设备 1 目的 由于铁路和轨道交通运输的钢轨焊接是在工程现场完成的，最终使一般长300-500米的钢轨条经现场再焊接成为超长无缝线路。现场完成钢轨焊接使用的气压焊技术和设备，过去二十几年一直延用传统手工操作类型的气压焊设备，工艺和工序进程完全凭施工人员经验和眼力判定，顶锻与推凸工步不连贯，顶锻完成后必须将压力泄释方能开始推凸，其弊端是此刻钢轨焊缝处温度仍在1200℃左右，焊缝处金属原子正处于互相扩散而进行再结晶的塑性状态，泄压推凸势必严重影响再结晶效果，降底焊接质量，稍有延迟焊缝处温度快速下降，导致无法推凸或焊缝处被拉开。本研究的目的就是克服人为因素等诸多弊端，保证焊接参数和焊后热处理参数的一致性，从而保证焊接质量的连续稳定。 2 系统原理设计 针对上述诸多问题，提出移动式气压焊自动化控制研发项目。整套设备采用模块化设计，可实现保压推凸，由可编程控制器即PLC完成控制整个焊接和焊后热处理过程。氧气和乙炔流量控制分别采用了两套特殊的PID调节，人机介面完成运行参数设置，画面监控，记录历史趋势曲线，USB接口实现数据转储，作业次数记录打印等。克服人为因素与环境温度对焊接质量的影响，减少 操作人员数量和操作者劳动强度，保证焊接质量持续稳定性。基本系统组成如图1所示。 图1 基本系统组成 3 系统工艺设计 检查氧气和乙炔钢瓶出口压力是否在规定的范围之内，确认参数设置无误，水冷却系统水管畅通条件下，按动自动控制箱操作面板上“启动”按钮之后，以下各个工步将按照所设置的参数自动地执行下去；直到焊接结束包括打印报告数据转储在内一次性完成，最后自动将机械复位，为下次焊接作好准备。 3.1 系统启动 按下启动按钮，PLC中系统控制区画面编号寄存器（SNIR）将人机切换到“工作状态一览表”画面，如图2所示。油泵起动油压从0 Mpa升到预顶压力（一般为13Mpa），将两段待焊钢轨端面挤压密贴，下一步自动开启两个气体质量流量控制器，点燃加热器，摆火机构开始慢速摆动，钢轨焊接端面在无污染条件下加热升温，我们称此为待顶工步，在此期间钢瓶内气体压力有向低变化趋势；加热器本身温度上升使火焰缩短，为此在氧气和乙炔气体质量流量的控制中应用了特殊的PID调节程序,使其火焰稳定，热力场分布合理，这是手工操作方式的气体控制箱不能比拟的。在此期间也可以通过自动控箱上的微调点动按钮随时调节氧气、乙炔流量和配比，使其加热火焰功率达到最佳状态[2]。见图2 主工艺画面。 图2 主工艺画面 3.2 钢轨焊接控制 钢轨焊接的工艺由顶锻与推凸过程实现。PLC通过磁性标尺的相对位置变化检测到预顶锻量达到设定值时，自动将系统压力降到待顶压力值（压力值取决于待焊轨条长度和道床阻力），加热器继续加热，待加热时间到设定值后立即进入顶锻工步，同时摆火速度加快，磁性标尺检测到顶锻量等于设置的数值时则关闭氧气和乙炔阀门，停止摆火和加热。保压阀切换保压位置使压接机处保压状态不变，而后将推凸换向阀切换到进刀位置，系统液压力增加的同时开始推凸操作，刀架前移趋动推凸刀除掉焊瘤部分。PLC通过压力传感器判别推凸状态，如果推凸压力在增大趋势时突然变小说明推凸结束。整个焊接过程大约在五分钟左右时间内完成。 3.3 降温保压控制 推凸结束后推凸阀自动切换到推凸退刀位置，使其退刀到位后，高压油泵压力自动调节到0 Mpa，而后油泵电动机停止工作。PLC中系统控制区画面编号寄存器（SNIR）将人机切换到“工作报告”画面并启动打印程序，将其打印输出（根据需要可以多次打印输出）。此刻压机仍然在保压状态，直到焊口自然冷却后系统压力才撤除 3.4 焊后热处理（欠速淬火）工艺控制 金属材料重新加热奥氏体化，在合适的加热温度和时间下，可使奥氏体晶粒细化，从而改善其韧、塑性能。钢轨焊缝接头在低于500℃后，重新加热至850℃～950℃，然后进行轨面和轨头侧面喷风冷却，以达到细化晶粒，硬化轨面的目的[3]。当采样温度达到设定温度后，自动停止加热，冷却风机启动。运用PLC控制气体流量、变频器和鼓风机系统、红外线测温仪系统、加热器摆动系统。通过人机界面设置焊后热处理工艺参数（见图3）。 图3 人机界面设置工作参数   测温方法采用了非接触式测量方法，选择了HT-14AL红外线测温仪，测温范围在500℃～ 1400℃，其电路图如图4所示。当采样温度达到设定温度后，自动停止加热。 图4 红